JP3661494B2

JP3661494B2 - 指向性反射スクリーンおよび画像表示装置

Info

Publication number: JP3661494B2
Application number: JP16480699A
Authority: JP
Inventors: 徹也大島; 好之金子; 昭有本; 浩規金子
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1999-06-11
Filing date: 1999-06-11
Publication date: 2005-06-15
Anticipated expiration: 2019-06-11
Also published as: JP2000352784A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は両眼視差を用いた立体視を、特殊な眼鏡を着用することなく可能にする指向性反射スクリーンおよびそれを用いた画像表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、両眼視差を用いた立体視を、特殊な眼鏡を着用することなく可能にする画像表示装置として、画像投影手段と指向性の反射または透過スクリーンを組み合わせた装置が知られている。例えば、鑑賞者に対して水平方向の集光手段として合わせ鏡群を用いた指向性反射スクリーンが「三次元画像工学」大越孝敬著、朝倉書店２８頁および９１〜９７頁に開示されている。それらを図２および図１１に示す。
【０００３】
図２に示すスクリーンでは、２面直交合わせ鏡群によって、スクリーン上に投影された光線の反射光は、水平方向に集光性があり、さらに、鏡面の垂直方向に与えた凹凸のために、垂直方向には拡散性がある。図１１に示すスクリーンでは、２面直交合わせ鏡群と組み合わせた蒲鉾状レンズ群のレンズ効果によって、垂直方向に拡散性を与えている。
【０００４】
２面直交合わせ鏡群に入射した光線は、図３に示すように、互いに直交した２つの鏡面に順次反射され、結果として入射してきた方向に反射する。従って、図４に示すような画像投影手段２と図２および図１１に示した指向性反射スクリーン３を組み合わせた画像表示装置において、液晶プロジェクター等の画像投影手段２により指向性反射スクリーン３に照射された映像信号は、反射されると水平方向には画像投影手段２の位置に集光する。
【０００５】
このようなスクリーン反射特性を活かし、２個の画像投影手段２を鑑賞者１の右眼および左眼の直上または直下に配置し、併せて両眼視差の原理に基づく立体画像信号となる一対の映像信号をスクリーン３に照射することによって、鑑賞者１は特殊な眼鏡と着用することなく立体映像を鑑賞することができる。この画像表示装置の水平方向の鑑賞範囲は、スクリーン３の反射特性のため、画像投影手段２から出射される光線の幅程度である。
【０００６】
さらに、これらの指向性反射スクリーンは、図６に示すように３個以上の画像投影手段と組み合わせ、かつ、各画像投影手段からは投影位置に応じた視差画像を投射することで、鑑賞者が水平方向に動いた際に別の２個の画像投影手段からの画像を鑑賞して立体視が可能となる。このため、装置全体としての鑑賞範囲を広げることができる。このような立体画像表示装置は多眼立体画像表示装置と呼ばれている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術の画像表示装置では、スクリーンの水平方向の集光性が強いために、鑑賞範囲が狭いという課題があった。また、上記従来技術の多眼立体画像表示装置では、鑑賞者が水平方向に動いて別の画像投影手段の鑑賞範囲に移動する際に、画像を鑑賞できない領域が発生するという課題があった。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題は、合わせ鏡群からなる指向性反射スクリーンにおいて、上記合わせ鏡群に、挟角が９０度からある小角度（δ度とする）だけずれた合わせ鏡を含むことで解決できる。
【０００９】
また、上記課題は、合わせ鏡群からなる指向性反射スクリーンにおいて、上記合わせ鏡群に、挟角が９０度の合わせ鏡と、９０度からある小角度（１．５δ度とする）だけずれた合わせ鏡とを含むことで解決できる。
【００１０】
また、上記課題は、合わせ鏡群からなる指向性反射スクリーンにおいて、上記合わせ鏡群に、挟角が９０度と小角度（β度とする）だけ差がある合わせ鏡と、挟角が９０度と（β＋ｎγ、ここでｎは１ないし４の整数）度の差がある合わせ鏡を含むことで解決できる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明の指向性反射スクリーンに用いる合わせ鏡群の、合わせ鏡の稜線に垂直方向の断面図を図１（ａ）に示す。この合わせ鏡群は、挟角αが、９０度と僅かに（δ度）異なる角度の合わせ鏡からなっている。合わせ鏡の挟角が９０度からδ度だけずれると、入射光線は図５に示すように入射光線と２δ度ずれた方向に反射される。また、光線が先に当たる面が合わせ鏡のＡ面かＢ面かにより、ずれる方向が異なる。このため反射光線は光線入射方向を中心線として対称な２方向に分裂して反射されることになる。合わせ鏡のＡ面とＢ面とのなす挟角と９０度との差分をδ度とすると、光線は入射光線と±２δ度だけずれた方向に反射され、これら２光線の分裂角度は４δ度となる。
【００１２】
本発明の合わせ鏡群を用いた立体画像表示装置を図７に示す。本装置において、画像投影手段２は、水平方向に鑑賞者の両眼間隔で配置した。２台の画像投影手段２からそれぞれ投射された画像信号は両眼視差を有しており、合わせて鑑賞者１に立体視を誘発するものである。本画像表示装置では、投影された２個の画像信号が、合わせ鏡群からなるスクリーン３で反射され、鑑賞者１の右眼および左眼に独立に導かれる。
【００１３】
このとき本発明の合わせ鏡群を用いると、反射光は２方向に進む。このため、従来の画像表示装置では画像投影手段から出射される光線の幅程度であった水平方向の鑑賞範囲は、最大で出射される光線の幅の２倍程度まで広げることができる。水平方向の鑑賞範囲を出射光線幅の２倍にするためのずれ角度δは、出射光幅をＷ、プロジェクタとスクリーン中心の距離をＬとすると数１０である。
【００１４】
【数１０】
δ＝ａｒｃｔａｎ(Ｗ/２Ｌ)÷２ ……（１）
数１０を用いて、所望のＷ、Ｌからδを計算し、挟角を決定すればよい。本画像投影装置の一般的な仕様として、射出光幅Ｗは１０〜４０mm、プロジェクタとスクリーン中心の距離Ｌは５００〜１００００mmであるから、ずれ角度δは（１）式を用いて、０．０１〜１．１度の範囲のある角度となる。
【００１５】
本発明で、合わせ鏡の挟角は、９０度以上の鈍角でも、９０度以下の鋭角でも９０度との差分が同じならば同様の効果が得られる。したがって、挟角の範囲は、８８．９〜８９．９度および９０．０１〜９１．１度である。
【００１６】
ここで、画像表示装置の水平方向の鑑賞範囲は大きいほど鑑賞者によい鑑賞環境を提供できるために好適である。しかしながら、本発明の画像表示装置においては、各画像投影手段から発せられた画像信号の鑑賞範囲が鑑賞者の両眼間隔を超えると右眼用画像と左眼用画像が混合するいわゆるクロストークを生じ、立体視が困難となる。従って、各画像信号の水平方向の鑑賞範囲は鑑賞者の両眼間隔とすると好適である。「設計者のための人体寸法データ集」、人間生活工学研究センター発行、７９頁によれば、人間の両眼間隔は４９mmから７０mmである。したがって、１個の画像投影手段から投影される画像信号は水平方向の鑑賞範囲も４９mmから７０mmが好適である。
【００１７】
画像投影手段の射出光幅が、所望とする水平方向の鑑賞範囲Ｒの半分を超える場合、上記数１０を用いて計算したずれ角度δでは鑑賞範囲は広すぎてしまう。この場合、ずれ角度δを数１１とすれば、所望の鑑賞範囲Ｒとすることができる。
【００１８】
【数１１】
δ＝ａｒｃｔａｎ（（Ｒ−Ｗ）／２Ｌ）÷２ ……（２）
また、画像投影手段の射出光幅が、所望とする水平方向の鑑賞範囲Ｒの半分よりも小さい場合、数１０を用いて計算したδでは鑑賞範囲は狭くなる。この場合には、図１（ｂ）に示すように合わせ鏡群からなる指向性反射スクリーンにおいて、合わせ鏡群が、挟角が９０度の合わせ鏡と９０度から１．５δ度ずれた合わせ鏡を含むことで鑑賞範囲Ｒを水平方向の鑑賞範囲を出射光線幅の３倍まで広げることができる。この場合の最適なずれ角度δは、所望の鑑賞範囲Ｒとすると、数１２である。
【００１９】
【数１２】
δ＝ａｒｃｔａｎ（（Ｒ−Ｗ）／２Ｌ）÷３ ……（３）
さらに図１（ｃ）に示すように、合わせ鏡群が、挟角が９０度からδ度ずれた合わせ鏡と、挟角が９０度から３δ度ずれた合わせ鏡を含むことで、鑑賞範囲Ｒを水平方向の鑑賞範囲を出射光線幅の４倍まで広げることができる。この場合の最適なずれ角度δは、所望の鑑賞範囲Ｒとすると、数１３である。
【００２０】
【数１３】
δ＝ａｒｃｔａｎ（（Ｒ−Ｗ）／６Ｌ）÷２ ……（４）
複数人鑑賞用の指向性反射スクリーンにおいて本発明を実施した合わせ鏡群を図８に示す。図８（ａ）の合わせ鏡群は、挟角α１と９０度の差がβ度の合わせ鏡と挟角α２と９０度の差が（β＋γ）となる合わせ鏡からなっている。ここで、γは前記δの値の２倍程度の小さい角度ある。βはγよりも大きな角度である。この挟角α１で反射された光線は入射方向に対して±２βずれた方向に反射される。また、挟角α２で反射された光線は入射方向に対して±２（β＋γ）ずれた方向に反射される。
【００２１】
これら２種の合わせ鏡から反射される光線方向の僅かなずれのために、図１３に示すように本発明の指向性反射スクリーンと画像投影装置を組み合わせると水平方向の鑑賞範囲を２倍程度まで広げることができる。水平方向の鑑賞範囲を出射光線幅の２倍にするためのずれ角度γは、出射光幅をＷ、プロジェクタとスクリーン中心の距離をＬとすると、数１４となる。また、複数の鑑賞者の間隔をＤとすると、ずれ角度βは数１５となる。
【００２２】
【数１４】
γ＝ａｒｃｔａｎ（Ｗ／Ｌｃｏｓ（２β））÷２ ……（５）
【００２３】
【数１５】
β＝ａｒｃｓｉｎ（Ｄ／Ｌ）÷４ ……（６）
上記の数式において、所望のＷ、Ｌ、Ｒからγとβを計算し、挟角を決定すればよい。本画像投影装置の一般的な値として、射出光幅は１０〜４０mm、プロジェクタとスクリーン中心の距離は５００〜１００００mmであるから、ずれ角度γは数１４を用いて０．０２〜４．５度となる。ずれ角度βは数１５から０．４度以上である。また、上限は３０度である。本発明で、合わせ鏡の挟角はα１＝９０±β、α２＝９０±（β±γ）であり、α１、α２は９０度以上の鈍角でも、９０度以下の鋭角でも９０度との差分が同じならば同様の効果が得られる。また、両者を組み合わせても構わない。
【００２４】
画像投影手段の射出光幅が、所望とする水平方向の鑑賞範囲Ｒの半分を超えるような場合、数１４を用いて計算したγでは鑑賞範囲は広すぎてしまう。この場合、ずれ角度γを数１６とすれば、所望の鑑賞範囲Ｒとすることができる。
【００２５】
【数１６】
γ＝ａｒｃｔａｎ（（Ｒ−Ｗ）／Ｌｃｏｓ（２β））÷２ ……（７）
また、画像投影手段の射出光幅が、所望とする水平方向の鑑賞範囲Ｒの半分よりも小さい場合、数１４を用いて計算したγでは鑑賞範囲は狭い。この場合には、、図８（ｂ）に示すように合わせ鏡群に、挟角と９０度の差が（β＋２γ）となる合わせ鏡を加えると鑑賞範囲Ｒを水平方向の鑑賞範囲を出射光線幅の３倍まで広げることができる。この場合の最適なγ値は、所望の鑑賞範囲Ｒとすると、数１７である。
【００２６】
【数１７】
γ＝ａｒｃｔａｎ（（Ｒ−Ｗ）／２Ｌｃｏｓ（２β））÷２ ……（８）
さらに図８（ｃ）に示すように、合わせ鏡群に挟角α３と９０度の差が（β＋３γ）となる合わせ鏡を加えると、鑑賞範囲Ｒを水平方向の鑑賞範囲を出射光線幅の４倍まで広げることができる。この場合の最適なγ値は、所望の鑑賞範囲Ｒとすると、数１８である。
【００２７】
【数１８】
γ＝ａｒｃｔａｎ（（Ｒ−Ｗ）／３Ｌｃｏｓ（２β））÷２ ……（９）
以上のように本発明の合わせ鏡群において、複数種類の挟角の合わせ鏡が必要となる場合がある。この場合、複数種類の挟角の合わせ鏡を周期的に配置すればよい。
【００２８】
本発明の画像表示装置では、図９に示すように合わせ鏡群の稜線と垂直の方向に凹面にすると、スクリーンにおける水平方向の反射位置の違いによる、集光位置のずれが補正されるため好適である。このときの曲率半径は画像投影手段の射出レンズとスクリーンの中心の距離の半分にすると水平方向の集光位置は１点となり、好適である。
【００２９】
また、このような画像表示装置に用いる場合、図１２に示すように指向性反射スクリーンを上述の合わせ鏡群と合わせ鏡群の稜線方向に光線を拡散させる拡散手段を一体化すると垂直方向の鑑賞範囲が広くなり、好適である。合わせ鏡群の稜線方向に光線を拡散させる拡散手段としては、蒲鉾状のレンズ群やホログラフィック素子を用いればよい。蒲鉾状レンズ群を用いる場合には、図１１と同様に蒲鉾状レンズのレンズ線が、合わせ鏡群の稜線に垂直となるように配置すればよい。
【００３０】
また、図１０に示すように、スクリーンを指向性反射スクリーンを合わせ鏡群の稜線の方向に凹面にすると反射光が垂直方向で集光されるため、スクリーンの反射位置によらず鑑賞位置において反射光が重なる領域、すなわち全画面が鑑賞可能な領域が広がり、好適である。ここでスクリーンの曲率半径は、画像投影手段とスクリーン中心との距離と一致させると、スクリーンの反射位置によらず反射光が鑑賞位置で完全に重なるので、さらに好適である。
【００３１】
この場合、画像表示手段の数は多いほど鑑賞範囲を広げることができ、好適である。しかしながら、本装置では画像投影手段の数と必要な画像の数が等しいため、画像投影手段をの数を多くすると、必要な画像数が多くなる。このため特に動画像を表示する場合、多くの画像計算が必要となる。そこで、実際の画像投影手段は４〜８個が適当である。
【００３２】
ここまで本発明は立体画像表示装置についてのみ記したが、本発明は上記のごとき立体画像表示装置に限るものではない。すなわち、図１３に示すように画像投影手段として複数の画像投影装置を用いず、一つの画像投影装置だけを用いた場合には、限られた鑑賞位置において鑑賞者は画像を鑑賞できるアミューズメント等に好適な画像表示装置を得る。この場合には、水平鑑賞範囲は鑑賞者の両眼間隔より大きい方が好適である。
【００３３】
また、本発明の合わせ鏡群は、樹脂材料を用いることで容易に製作できる。まず、ポリカーポネート樹脂やアクリル樹脂、塩化ビニール樹脂などで所望の合わせ鏡群と同じ形状を有する基板を成型する。そして、基板の表面に、アルミニウム、銀等の材料を蒸着、スパッタリング、電着などの方法で鏡面を形成すればよい。
【００３４】
【発明の効果】
本発明により、特に立体画像装置に好適な合わせ鏡群を用いた画像表示装置の水平方向の鑑賞範囲を拡張することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の指向性反射スクリーンに用いる合わせ鏡群の稜線と垂直方向の断面図。
【図２】従来技術の指向性反射スクリーンの構造概略図。
【図３】従来技術の合わせ鏡群の光線軌跡図。
【図４】従来技術の画像表示装置の構造を示す上面図。
【図５】本発明の一実施例における合わせ鏡群の光線軌跡図。
【図６】従来技術の画像表示装置の構造を示す上面図。
【図７】本発明の一実施例の画像表示装置の構造を示す上面図。
【図８】本発明の指向性反射スクリーンに用いる合わせ鏡群の稜線と垂直方向の断面図。
【図９】本発明の画像表示装置の構造を示す上面図。
【図１０】本発明の画像表示装置の構造を示す側面図。
【図１１】従来技術の指向性反射スクリーンの構造を示す斜視図。
【図１２】本発明の画像表示装置の構造を示す側面図。
【図１３】本発明の画像表示装置の構造を示す上面図。
【符号の説明】
１…鑑賞者、２…画像投影手段、３…指向性反射スクリーン。

Claims

合わせ鏡群からなる指向性反射スクリーンにおいて、上記合わせ鏡の挟角が、９０度に対してある小角度δだけずれた合わせ鏡を含む指向性反射スクリーンにおいて、上記小角度δは、出射光幅をＷ、プロジェクタとスクリーン中心の距離をＬ、所望の鑑賞範囲Ｒとするとき、数１ないし数４のいずれかで与えられる角度であることを特徴とする指向性反射スクリーン。
上記合わせ鏡群からなる指向性反射スクリーンにおいて、合わせ鏡群が、挟角が９０度に対して請求項１記載のδだけずれた合わせ鏡と上記δの３倍の角度だけずれた合わせ鏡とを含むことを特徴とする指向性反射スクリーン。
合わせ鏡群からなる指向性反射スクリーンにおいて、上記合わせ鏡群が、挟角が９０度の合わせ鏡と、９０度に対して請求項１記載のδの１．５倍だけずれた合わせ鏡とを含むことを特徴とする指向性反射スクリーン。
上記角度δが、０．０１〜１．１度の範囲のある角度であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか記載の指向性反射スクリーン。
合わせ鏡群からなる指向性反射スクリーンにおいて、上記合わせ鏡の挟角と９０度との差が、ある角度β度となる合わせ鏡と、挟角と９０度との差が、上記β度にある角度γを加えた角度となる合わせ鏡とを含むことを特徴とする指向性反射スクリーン。
請求項５において、上記角度βおよびγは、出射光幅をＷ、プロジェクタとスクリーン中心の距離をＬ、所望の鑑賞範囲Ｒ、複数の鑑賞者の間隔をＤとするとき、数５ないし数９のいずれかで与えられる角度であることを特徴とする指向性反射スクリーン。
上記合わせ鏡群に、挟角と９０度の差が、請求項５または６記載のβおよびγの値に対して（β±ｎγ）度（ｎ＝１，２，３，４）となる合わせ鏡を含むことを特徴とする指向性反射スクリーン。
上記角度βが０．８〜３０度の範囲のある角度であり、かつ角度γが０．０２〜４．５度の範囲のある角度であることを特徴とする請求項５ないし７のいずれか記載の指向性反射スクリーン。